Neste trabalho foram desenvolvidos os projetos de uma câmara de combustão e de um atomizador do tipo pressure-swirl que permitiram a operação de uma microturbina a gás, utilizando etanol como combustível. O combustor e o injetor foram projetados para as características físico-químicas do etanol anidro. A influência da presença de água no combustível foi ser analisada nos ensaios. Foram realizados ensaios de desempenho e emissões de gases na microturbina. A determinação do Diâmetro Médio de Sauter (SMD) e do ângulo de abertura do do spray também foi realizada. Na análise dos resultados investigou-se o comportamento das relações ar/combustível, a emissão de poluentes e sua correlação com atomização do combustível e com a eficiência de combustão. A operação da microturbina ocorreu de maneira estável, validando tanto o projeto do combustor quanto o do atomizador. A razão de equivalência aumentou com o aumento da rotação do eixo. A pressão de injeção aumentou com o incremento de vazão provocando a diminuição do SMD. Fato esse que promoveu decréscimo nas emissões de monóxido de carbono (CO) e óxidos de nitrogênio (NOx) demonstrando melhoria na eficiência de combustão.

Este trabalho apresenta um modelo alternativo de câmara de combustão com baixa emissão de NOx para aplicação em turbinas a gás. Trata-se de um combustor de duplo estágio com "swirler", no qual a condição desfavorável à formação de poluentes é alcançada mediante o controle da dinâmica do escoamento dos reagentes e dos gases de combustão no combustor. A combustão desenvolve-se em dois estágios ou câmaras e em um regime global de combustão pobre. Para a combustão na câmara secundária, dependendo dos parâmetros de operação, algumas oscilações acústicas ocorrem. Os parâmetros operacionais que controlam o processo de combustão são: a razão de equivalência global, o número de Reynolds do jato de combustível (Rej), o número de "swirl" do escoamento de ar (S';) e razão comprimento/diâmetro da câmara primária (L/D), sendo o objetivo do presente trabalho a análise da influência destes parâmetros sobre as emissões de poluentes (CO, Hidrocarbonetos Totais e NOx) e o surgimento de instabilidades de combustão. Os resultados mostraram que quando os parâmetros envolvidos contribuem para uma melhor uniformidade da mistura, isto é, maiores razões L/D, elevados número de "swirl" e menores números de Reynolds as emissões de CO e hidrocarbonetos totais são reduzidas. Para o NOx as mesmas tendências são observadas, sendo a única exceção para o número de "swirl", ou seja, os níveis de NOx aumentam com a elevação do referido parâmetro. A razão de equivalência, como esperado, influencia as emissões de maneira distinta. Enquanto que sua elevação reduz as emissões de CO e hidrocarbonetos totais, aumenta as de NOx. Os resultados também mostraram a supressão das instabilidades mediante a utilização de maior diâmetro para a câmara secundária.

As rigorosas legislações ambientais direcionam os fabricantes de turbinas a gás a desenvolver novos projetos de câmara de combustão para reduzir as emissões de poluentes. Nas últimas duas décadas, a combustão de reagentes pré-misturados em razão de equivalência pobre tornou-se a principal tecnologia para controlar as emissões de NOx em turbinas a gás. No entanto, câmaras de combustão com pré-mistura pobre de reagentes são inerentemente sensíveis a oscilações de pressão que podem conduzir a instabilidades de combustão. Essas oscilações podem afetar a liberação de calor, as emissões de poluentes e o tempo de vida da câmara e de outros componentes do motor. Além disso, existem outros problemas associados com a estabilização da chama em sistemas de combustão que utilizam o conceito de câmaras com pré-mistura pobre de reagentes, tais como sopramento e retorno de chama. Em geral as turbinas a gás utilizam alta intensidade de rotação para estabilizar as chamas através da formação de uma forte zona de recirculação. Porém, os desenvolvimentos recentes nestes dispositivos demostram que é possível alcançar um regime específico diminuindo a intensidade de rotação de reagentes pré-misturados e pobres com uma geometria adequada. Essa geometria foi definida como sistema de baixa intensidade de rotação e é capaz de gerar chamas suspensas e estáveis sem uma forte zona de recirculação do escoamento. Neste trabalho foram estudadas experimentalmente chamas pré-misturadas e pobres, em condições de pressão atmosférica e confinadas em uma câmara de combustão, geradas por um sistema capaz de fornecer diferentes: níveis de baixa intensidade de rotação aos reagentes, razões de equivalência e potências térmicas. Foram analisados os escoamentos reativos, as emissões de NOx e CO e as oscilações de pressão no interior da câmara de combustão. Os resultados demostraram a influência da intensidade de rotação na formação e desenvolvimento dos vórtices e zona de recirculação interna, no formato e deslocamento das chamas suspensas e apresentaram níveis: baixos de oscilações de pressão no interior da câmara e baixos de emissões de NOx.

This dissertation describes the known formation mechanisms of pollutant emissions for spark ignition internal combustion engines, the most common pollutants emitted by spark ignition engines, current methods to reduce pollutants emissions and a comparison of industry procedures with one and three-dimensional modeling including detailed surface reaction chemistry model, all used to estimate catalytic converter efficiency. Also, experimental tests were performed to provide exhaust gas composition boundary conditions, and to provide values for current catalytic converter efficiency. The detailed surface reaction chemistry model presented problems into implementation for one and three-dimensional analyzes, presenting zero conversion into one-dimensional analysis and continuous reduction in conversion efficiency for three-dimensional analysis. The industry procedure has been used for a long time, and presented the more realist values and behavior, not justifying the replacement for an analysis that includes chemistry reaction models, either one or three-dimensional.

Um dos principais poluentes responsáveis pelo o efeito estufa é o dióxido de carbono (CO2) que é lançado na atmosfera principalmente pelos processos de queima de combustíveis fósseis e de gaseificação de biomassa. Assim, é desejável que o gás produzido destes processos sejam tratados reduzindo a emissão de dióxido de carbono e óxidos de nitrogênio na atmosfera, ou ainda preferencialmente, reformados, no sentido de produzir gás de síntese (H2 + CO), um gás combustível com alto poder calorífico recuperável. Dentre os principais processos de tratamento e reforma de gases incluem os processos a plasma, destacando-se os geradores de plasmas em pressão atmosférica não térmicos a partir das descargas de arco fixo ou deslizante devido ao baixo custo de construção e consumo de energia. Neste cenário, este trabalho apresenta o estudo de um sistema inovador de geração de plasma em pressão atmosférica em que a descarga se inicia de forma de um arco deslizante em vórtice reverso e é posteriormente estabilizada em arco fixo. A descarga foi operada em ar, CO2 e com uma mistura de ambos, visando investigações do processo de reforma de CO2 em CO, bem como das condições de operação da descarga em que ocorre uma redução de emissão de NO2 tendo como parâmetro valores fixos do comprimento (A) entre os pontos de fixação do arco nas regiões de eletrodos da descarga. A seletividade e o rendimento destes processos, correlacionados com o comprimento (A), foram avaliados pelas análises das propriedades elétricas da descarga e também pelas análises químicas utilizando as técnicas de espectroscopia óptica de emissão e espectrometria de massa. Os resultados obtidos referente à caracterização elétrica da descarga, mostram que para um comprimento (A) fixo, o aumento da vazão de gás conduz ao aumento da tensão enquanto a corrente se mantém praticamente constante. Com o aumento do comprimento (A), a tensão da descarga também aumenta, contudo a corrente se mantém praticamente constante para uma vazão fixa de gás, exceto para o maior comprimento (A) no qual a corrente apresenta seu valor mais baixo. As análises por espectroscopia de emissão óptica, para a descarga operando com ar, indicam a predominância de bandas de nitrogênio e picos de oxigênio e argônio. Para a descarga operando com CO2 predominam picos relativos aos metais presentes nos eletrodos e picos de carbono e oxigênio com baixas intensidades. Com a mistura ar + CO2, são gerados predominantemente bandas de nitrogênio, possivelmente NO e picos de metais advindos dos eletrodos. É observado também picos de baixa intensidade referentes ao carbono, oxigênio e argônio. Pelas análises por espectrometria de massa, os resultados indicam que ocorre uma taxa de conversão máxima de CO2 de 10,24% operando com CO2 puro e 7,44% quando operando em mistura com ar, ambos para o caso em que o comprimento (A) é fixado em seu menor valor investigado de 14,7 mm. Embora com baixas taxas de conversão, nestas condições, é possível obter uma seletividade máxima de CO de cerca de 99% . A seletividade mínima para o NO2, em torno de 49 %, é observada para o comprimento intermediário (A) de 23,3 mm. Esse reator foi originalmente projetado no intuito de flexibilizar sua configuração tanto para operar em regime de arco fixo como de arco deslizante ou mesmo nestes dois regimes associados, viabilizando seu emprego como parte integrante de diferentes sistemas de tratamento ou reforma de gases.

Este trabalho se propõe a simular a emissão de NOx na condição de decolagem, para motores de diversos fabricantes, usando o software de simulação de desempenho GasTurb (versão 10) e obter resultados próximos aos dados experimentais apresentados na planilha de certificação de emissões da ICAO (Organização Internacional de Aviação Civil). O GasTurb é utilizado sobretudo em cálculos do ponto de projeto e permite similar, numa única subrotina, vários motores. Mais que isso, objetiva-se apresentar os passos a serem seguidos para a avaliação dos ciclos completes de emissões (LTO), usando-se o GasTurb, embora não seja o objetivo dessa dissertação um estudo detalhado desses ciclos. Finalmente, mostra-se que um modelo empírico de emissões de NOx que depende apenas da pressão e temperatura de entrada na câmara de combustão (P3 e T3) prevê com boa confiabilidade as emissões experimentais desse poluente em combustores convencionais.